Внутреннее строение Земли по сейсмическим данным

Содержание

1. 1. Сейсмический метод изучения Земли3
2. 2. Земная кора и граница Мохоровичича5
3. 3. Мантия: строение и свойства7
4. 4. Ядро Земли и его сейсмические границы9
5. Список литературы11

1. Сейсмический метод изучения Земли

Землетрясения и мощные взрывы порождают упругие колебания, которые распространяются сквозь толщу планеты. Эти колебания называют сейсмическими волнами, и ведут они себя как звук в гигантском каменном колоколе. Именно они позволяют «увидеть» недра Земли без бурения на десятки километров вглубь.

Волны бывают двух основных типов. Продольные, или P-волны, сжимают и растягивают породу вдоль направления своего движения (так распространяется звук в воздухе). Поперечные, или S-волны, смещают частицы среды перпендикулярно своему пути, наподобие колебаний струны. Скорость P-волн примерно в 1,7 раза выше, чем у S-волн, поэтому на сейсмограммах они всегда появляются первыми.

Главное различие между ними касается способности проходить через вещество. P-волны свободно идут и в твёрдых породах, и в жидкостях. S-волны через жидкость пройти не могут, поскольку она не оказывает сопротивления сдвигу. Эта особенность в начале XX века позволила учёным сделать фундаментальный вывод: внешняя часть ядра Земли находится в расплавленном состоянии.

Регистрацией колебаний занимаются сейсмографы. Чувствительные приборы, установленные на поверхности, записывают малейшие смещения грунта, вызванные приходом волн. Анализируя время вступления P- и S-волн, можно вычислить расстояние до очага землетрясения. Но гораздо важнее другое: скорость волн меняется в зависимости от плотности и упругости среды, через которую они проходят.

Когда волна попадает на границу между слоями с разными физическими свойствами, она преломляется и частично отражается. Наблюдая эти изменения, геофизики восстанавливают картину глубинного строения. По сути, каждый подземный толчок работает как естественный рентгеновский аппарат, просвечивающий планету.

Данные собирают сейсмические станции. Они разбросаны по всем континентам, включая Антарктиду, и объединены в глобальную сеть наблюдений. Координаты станций известны с высокой точностью, а их показания синхронизированы по атомным часам. Это позволяет сопоставлять записи из разных точек и вычислять траектории волн с точностью до долей секунды.

Первые модели внутреннего строения Земли, построенные по сейсмическим данным, появились ещё в начале XX века. Британский геолог Ричард Олдхэм в 1906 году доказал существование ядра, а немецкий геофизик Бено Гутенберг в 1914 году определил его глубину. Сегодня методы сейсмологии стали несравненно точнее. Современные алгоритмы томографии (подобные медицинской компьютерной диагностике) позволяют получать трёхмерные изображения мантийных потоков и литосферных плит.

Сейсмический метод остаётся главным источником знаний о глубоких недрах. Прямое бурение достигло лишь 12 километров, что составляет ничтожную долю радиуса планеты. Всё, что расположено глубже, изучается исключительно по распространению упругих колебаний.

2. Земная кора и граница Мохоровичича

Земная кора представляет собой тонкую внешнюю оболочку планеты. Её мощность ничтожна по сравнению с радиусом Земли. Если представить нашу планету в виде яблока, то кора окажется тоньше, чем его кожура. Почти все сведения о строении и составе этой оболочки получены благодаря сейсмологии.

Принято различать два принципиально разных типа коры. Континентальная кора сложена преимущественно гранитами и гнейсами. Она богата кремнезёмом и алюминием, а её средняя плотность составляет около 2,7 г/см³. Океаническая кора имеет базальтовый состав. Она плотнее (примерно 3,0 г/см³) и содержит больше железа и магния. Разница в составе напрямую связана с мощностью. Под материками кора достигает 30-70 км, тогда как под океанами её толщина редко превышает 10 км.

Границу между корой и подстилающей мантией открыл в 1909 году хорватский геофизик Андрей Мохоровичич. Анализируя записи землетрясения в Загребе, он заметил странность: сейсмические волны приходили на одни станции раньше, чем следовало из расчётов для однородной среды. Мохоровичич предположил, что на некоторой глубине скорость волн резко возрастает. Эта гипотеза блестяще подтвердилась. Скачок оказался значительным: скорость продольных волн увеличивается примерно с 6,5-7 км/с до 8,0-8,2 км/с. Поперечные волны тоже ускоряются, с 3,8 до 4,6 км/с. Именно этот резкий перепад скоростей получил название границы Мохоровичича, или просто Мохо.

Глубина залегания Мохо, величина непостоянная. Под срединно-океаническими хребтами граница поднимается до 5 км от поверхности. В глубоководных впадинах она опускается до 10-12 км. Под щитами древних платформ (например, под Канадским или Балтийским) кора утолщается до 40-45 км. А под высочайшими горными системами, такими как Гималаи или Анды, граница уходит вниз на 60-70 км. Любопытно,

что под молодой рифтовой зоной Байкала кора, наоборот, истончается.

Сейсмические данные позволяют не только фиксировать глубину Мохо в отдельных точках, но и строить детальные карты мощности коры. Тысячи сейсмических станций по всему миру регистрируют колебания от землетрясений. Учёные сопоставляют времена прихода волн, отражённых от границы, и получают объёмную картину. На таких картах отчётливо видны неоднородности: зоны утолщения коры под горными массивами, области её резкого истончения под океанами, а также аномальные участки, где граница Мохо ведёт себя нестандартно. Например, под некоторыми островными дугами зафиксированы «двойные» границы, что указывает на сложное тектоническое строение. Мощность коры, определённая по сейсмическим данным, служит важнейшим параметром для оценки изостатического равновесия и понимания геологической истории регионов.

3. Мантия: строение и свойства

За скачком скоростей на границе Мохоровичича начинается самый объёмный слой планеты. Мантия простирается почти на 2900 километров вглубь, занимая около 83% объёма Земли и примерно две трети её массы. Это не однородная оболочка. Сейсмические разрезы фиксируют в ней чёткое подразделение на верхнюю и нижнюю мантию, граница между которыми проходит на глубине около 670 километров.

Верхняя мантия, в свою очередь, неоднородна по физическим свойствам. На глубинах от 100 до 250 километров здесь расположена астеносфера. Этот слой выделяется пониженной вязкостью и частичным плавлением пород: вещество в нём находится в пластичном, почти текучем состоянии. Именно по астеносфере перемещаются жёсткие литосферные плиты, которые включают земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера как бы скользит по этому размягчённому слою, и именно это движение мы фиксируем как дрейф континентов и спрединг океанического дна.

Ниже, в нижней мантии, вещество ведёт себя иначе. Давление здесь достигает миллионов атмосфер, и породы, несмотря на высокие температуры, остаются твёрдыми и упругими. Сейсмические волны реагируют на это изменение. Скорость продольных волн в верхней мантии составляет около 8 км/с, а у границы с ядром возрастает до 13,6 км/с. Такой рост скоростей с глубиной напрямую указывает на увеличение плотности и упругости пород: чем глубже, тем сильнее давление, тем плотнее упакованы атомы в кристаллических решётках минералов.

Однако мантия не является статичной толщей. Метод сейсмической томографии, аналогичный компьютерной томографии в медицине, позволяет строить трёхмерные изображения недр. Он выявляет в мантии обширные области с аномальными скоростями волн: зоны, где волны проходят быстрее или медленнее, чем в среднем по разрезу. Эти

неоднородности отражают конвективные потоки. Горячее вещество поднимается от ядра к поверхности, а холодное, наоборот, опускается вниз. Именно эта медленная, но непрерывная конвекция, движущаяся со скоростью несколько сантиметров в год, является двигателем тектоники плит, землетрясений и вулканизма.

Интересно, что томография показывает: холодные литосферные плиты, погружаясь в зонах субдукции, могут достигать границы ядра. Тёплые же восходящие потоки, так называемые мантийные плюмы, поднимаются с глубин порядка 2900 километров и порождают вулканизм вдали от границ плит, как в случае с Гавайскими островами. Таким образом, мантия оказывается не просто промежуточным слоем, а гигантской тепловой машиной, определяющей геологическую жизнь всей планеты.

4. Ядро Земли и его сейсмические границы

Спускаясь от подошвы мантии, сейсмические волны встречают самую контрастную границу в недрах планеты. На глубине около 2900 километров скорость продольных волн резко падает примерно с 13,6 до 8,1 километра в секунду. Поперечные волны здесь исчезают полностью. Этот рубеж открыл Бено Гутенберг в 1914 году; он отделяет силикатную мантию от железного ядра и называется границей Гутенберга.

Главное доказательство того, что внешнее ядро находится в жидком состоянии, это отсутствие S-волн в области за этой границей. Поперечные волны относятся к волнам сдвига, они могут распространяться только в твёрдой среде, где частицы связаны упругими силами. Жидкость, будь то вода или расплавленное железо, сдвиговой упругостью не обладает. Поэтому сейсмографы, расположенные на противоположной от эпицентра стороне Земли, регистрируют только продольные волны, прошедшие сквозь жидкое ядро.

Существование внешнего ядра как жидкого слоя подтверждается и эффектом зоны тени. На угловом расстоянии от 103 до 143 градусов от эпицентра прямые P-волны практически не регистрируются. Причина в том, что жидкое ядро резко преломляет продольные волны, искривляя их путь так, что они минуют определённую область поверхности. Именно анализ этой зоны тени позволил геофизикам точно определить радиус жидкого ядра, который составляет около 3480 километров.

На этом сюрпризы не заканчиваются. В 1936 году датский сейсмолог Инге Леманн обнаружила, что внутри жидкого ядра существуют слабые, но отчётливые отражения P-волн. Анализ этих сигналов показал: на глубине около 5150 километров находится ещё одна граница, за которой скорость продольных волн вновь скачкообразно возрастает. Это внутреннее ядро, радиусом примерно 1220 километров, ведёт себя как твёрдое тело.

Казалось бы, при температуре около 5000-6000 градусов Кельвина железо должно быть расплавленным. Но давление в центре Земли достигает 360 гигапаскалей, что в 3,6 миллиона раз превышает атмосферное. При таком чудовищном сжатии атомы железа оказываются зажатыми в кристаллическую решётку, и вещество переходит в твёрдое состояние, несмотря на экстремальный нагрев. В итоге ядро Земли представляет собой двухслойную структуру: жидкое внешнее ядро, порождающее магнитное поле планеты, и твёрдое внутреннее ядро, погружённое в этот расплав.

Сейсмические наблюдения последних десятилетий добавили ещё одну любопытную деталь. Сравнивая записи повторяющихся землетрясений, геофизики заметили, что время пробега волн через внутреннее ядро меняется. Это означает, что внутреннее ядро вращается с несколько иной скоростью, чем остальная планета. По оценкам, оно совершает оборот вокруг своей оси примерно на 0,2-0,3 градуса в год быстрее мантии. Механизм этого дифференциального вращения до конца не ясен, но предполагается, что он связан с электромагнитными силами, действующими между жидким и твёрдым ядром.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лекция 7. Строение Земли по данным сейсмологии. Модели ... — https://teach-in.ru/lectures-conspects/earth-physics-M-lecture7.pdf

2. Внутренне строение Земли — http://neotec.ginras.ru/comrus/_magnickiy-v-a-1956-vnutrennee-stroenie-zemli.pdf

3. Мантия Земли — http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0129270:article

4. Внутреннее строение земли — https://studfile.net/preview/1811965/page:5/

5. внутреннее строение твердой земли по сейсмическим ... — https://studfile.net/preview/4521494/page:3/

6. 2.2. Внутреннее строение Земли. Сейсмический метод ... — https://studfile.net/preview/5288225/page:6/

7. МОДЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ — https://scienceforum.ru/2016/article/2016020287

8. Внутренне строение Земли / В. А. Дедеев, П. К. Куликов — https://www.gemp.ru/article/33.html